技术领域
[0001] 本
发明涉及教学实训平台技术领域，特别是一种基于真实PLC和计算机虚拟电梯部件的交互式实训平台。
背景技术
[0002] 电梯是一种应用极其广泛的特种机电设备，为了保证电梯的正常运行，因此和电梯相关的技术型人才需求较大，许多高职院校加大了电梯工程领域相关的教学与实训。在教学中，电梯实训的目的主要是掌握如下技能：掌握电梯结构与原理、控制方案设计、电气连线、PLC控制程序的编辑。
[0003] 电梯实训是一
门动手能
力极强的课程，受到各方面因素限制，现有的教学电梯实训平台存在以下几个问题：其一，全实物实训平台存在投资大、实验设备体积大的缺点，而且全实物实训平台受到学生的技术限制和设备自身结构影响，一般是实训设备安装完毕后学生不能进行拆卸和改动布线，因此学生对实训的内容的理解往往是一知半解，在电梯结构与原理、电气连线方面达不到好的实训目的；其二，受到实训场地限制以及建设成本等因素限制，许多实验室的设备套数有限，因此每次学生参与实训的人数少，相应学生参与实训的时间少、实训效果不好。其三，现有基于计算机相关应用
软件模拟出的完全虚拟电梯实训平台，虽然降低了建设成本、同等面积下增加了实训设备的数量，并能同时为更多学生的实训提供支持，但是受到其技术限制，学生不能够直接编辑并运行PLC程序，学生缺乏真实的PLC编程训练，实训效果也不理想；其四，现有的虚拟实验平台，一般是通过西门子S7-PLCSIM仿真软件仿真实现，或通过WinCC flexible监控软件实现,或通过VB6.0等
计算机编程实现，但是由于PLC的输入
端子输入的控制
信号必须是真实的
电信号，计算机不能直接写PLC的输入端子信号，所以上述方案中，计算机软件无法直接模拟电梯的
开关信号和
传感器信号，PLC也就不能按照真实的电梯动作进行编写程序，导致学生的实训效果大打折扣。
发明内容
[0004] 为了克服现有电梯实训教学中，采用的虚拟教学实训平台以及实物实训平台，因结构以及技术所限，学生达不到好的实训学习效果的弊端，本发明提供了采用PLC、计算机、
单片机信号转换收发模
块、实训
接线盒作为实物
硬件，每个实训平台只需要一台计算机和PLC、单片机信号转换收发模块、实训接线盒，PLC不再需要布线外接其它外部设备，在
计算机系统中采用多媒体技术，应用中，在各应用单元作用下，能虚拟出电梯部件(如按钮、
电机、限位器、指示灯)，实训学生可以像在真实的环境中一样，运用虚拟电梯部件，对虚拟电梯模型进行实时仿真安装，完成各种预定的实训项目，由此达到设备投资较小、设备占用空间小，同样资金可以完成更多实验套数的建设，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得效果的基于真实PLC和计算机虚拟电梯部件的交互式实训平台。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 基于真实PLC和计算机虚拟电梯部件的交互式实训平台，包括PLC、计算机、单片机信号转换收发模块、实训接线盒，PLC型号是西门子S7-200 Smart；其特征在于所述计算机和单片机信号转换收发模块经USB数据线连接，单片机信号转换收发模块和实训接线盒经排线连接，实训接线盒和PLC经
导线连接；所述计算机安装有PLC程序开发软件，使用该软件进行电梯控制程序编写并下载到PLC执行；所述计算机安装有虚拟控制实训部件单元、虚拟安装单元、虚拟运行图单元
应用软件；所述单片机信号转换收发模块内具有PLC端子输入单元，单片机信号转换收发模块主控芯片是STM32F103，单片机信号转换收发模块配套有经数据线连接型号是CH340G的USB转串口芯片、型号PC817的光耦，单片机信号转换收发模块工作时其PLC端子输入单元能将接受的计算机指令形成PLC能够接收的
数字信号，USB转串口芯片实现单片机信号转换收发模块和
计算机程序之间的信息交互，光耦PC817能够进行信号电平转换，实现PLC和单片机信号转换收发模块之间的信号传递。
[0007] 进一步地，所述虚拟控制实训部件单元，能构建虚拟电梯部件仿真
数据库，虚拟的电梯部件有楼层按钮、楼层限位、限位器、开关门按钮、超重传感器信号输入部件，有电梯上下行电机、
变频器、开关电梯门电机、楼层指示灯输出部件；虚拟电梯部件有与电梯部件实物一样的
位置属性、状态属性、与PLC端子连接属性、
鼠标点击属性，通过设置虚拟部件的属性可以模仿实物电梯部件的动作；平台使用HTML5多媒体技术，结合仿真数据库，虚拟出多层电梯仿真界面。
[0008] 进一步地，所述单片机信号收发转换模块的PLC端子输入单元，负责计算机与PLC之间信号的数据传输；单片机信号收发转换模块有如下功能：其一，实现单片机信号收发转换模块自身通过USB口与计算机进行通信；其二，单片机信号收发转换模块接收计算机控制指令信号经PLC端子输入单元形成PLC能够接收的数字信号，应用中，虚拟电梯模型的楼层按钮、楼层限位、限位器、开关门按钮、超重传感器信号由计算机发出指令，经PLC端子输入单元转换后，经由单片机信号收发转换模块发送到PLC端子；其三，单片机信号收发转换模块收集PLC输出端子的数字信号，经光耦光
电隔离后发送到虚拟电梯模型。
[0009] 进一步地，所述虚拟安装单元，可以在虚拟电梯的模型上进行模拟电梯安装实训；应用中，根据虚拟电梯部件仿真数据库，使用网页技术，采用积木式方法，设计出电梯安装模型；实训时从电梯部件库中选择虚拟电梯部件，当经计算机鼠标拖动到应该安装的位置附近时，该位置的背景
颜色会改变，提示位置正确，放置好并设置对应参数，所有部件安装完毕后，系统提示电梯安装完成，整个安装过程模拟实际的安装过程，使学生掌握电梯的安装工艺及了解电梯原理。
[0010] 进一步地，所述计算机能发出指令，经单片机信号收发转换模块的PLC端子输入单元形成PLC能够接收的数字信号，进而进行PLC的I/O分配表设计及连线实训，实训根据电梯运行控制的要求，设计控制流程并对PLC进行I/O配置，根据I/O分配表设置相关的电梯虚拟部件属性，如对应的PLC的I/O端子；实际应用中，根据I/O分配表，还能在接线盒端子与PLC之间进行实际控制连线。
[0011] 进一步地，所述虚拟运行图单元，应用中，电梯运行时能够根据PLC实时状态，实时改变虚拟电梯部件的状态，使虚拟电梯部件与真实PLC端口保持一致，具体过程如下，A：获得按钮状态，如楼层呼叫按钮，鼠标点击按钮后，平台
修改虚拟按钮的显示状态，并通过实训接线盒形成24V开关信号，发送到PLC
数字量接收端；B：根据电梯轿箱、电梯上下位置，自动修改虚拟限位开关的显示状态，并通过单片机信号转换盒形成24V开关信号，发送到PLC数字量接收端；C：计算机程序通过单片机信号转换盒获得PLC输出端的状态，平台修改虚拟电梯部件的动画效果。
[0012] 本发明有益效果是：本发明采用PLC、计算机、单片机信号转换收发模块、实训接线盒作为实物硬件，每个实训平台只需要一台计算机和PLC、单片机信号转换收发模块、实训接线盒，PLC不再需要布线外接其它外部设备，设备投资较小、设备占用空间小，同样资金可以完成更多实验套数的建设。本发明在计算机系统中采用多媒体技术，应用中，在各应用单元作用下，能虚拟出电梯部件(如按钮、电机、限位器、指示灯)，实训学生可以像在真实的环境中一样，运用虚拟电梯部件，对虚拟电梯模型进行实时仿真安装，完成各种预定的实训项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得效果。本发明与其他的虚拟电梯平台相比，采用真实的PLC作为
控制器，其他设备使用计算机虚拟，学生能够对真正存在的PLC进行编程，不影响实验效果。与传统的实验教学相比，可以进行电梯控制过程的设计和控制设备的布线练习，更好进行工程设计和应用能力训练。平台可以按照实际的电梯运行动作编写PLC程序，尤其开关、传感器的输入；系统增加的单片机信号转换收发模块，单片机信号转换收发模块接收计算机命令并产生对应的数字量或模拟量并输出到PLC端子，解决计算机不能直接写PLC的数字量输入端子问题，使PLC程序能够按照真实的电梯动作进行编写。基于上述，本发明具有好的应用前景。
附图说明
[0014] 图2是本发明单片机信号转换收发模块的
电路图；
[0015] 图3是本发明控制数据流向图。
具体实施方式
[0016] 图1、2、3中所示，基于真实PLC和计算机虚拟电梯部件的交互式实训平台，包括PLC、计算机、单片机信号转换收发模块、实训接线盒，PLC品牌型号是西门子S7-200 Smart；所述计算机和单片机信号转换收发模块经USB数据线连接，单片机信号转换收发模块和实训接线盒经排线连接，实训接线盒和PLC经导线连接；所述计算机安装有PLC程序开发软件STEP7 MicroWIN SMART，使用该软件进行电梯控制程序编写并下载到PLC执行；所述计算机安装有虚拟控制实训部件单元、虚拟安装单元、虚拟运行图单元应用软件；所述单片机信号转换收发模块内具有PLC端子输入单元，单片机信号转换收发模块主控芯片是STM32F103，单片机信号转换收发模块配套有经数据线连接型号是CH340G的USB转串口芯片、型号PC817的光耦，单片机信号转换收发模块工作时其PLC端子输入单元能将接受的计算机指令形成PLC能够接收的数字信号，USB转串口芯片实现单片机信号转换收发模块和计算机程序之间的信息交互，光耦PC817能够进行信号电平转换，实现PLC和单片机信号转换收发模块之间的信号传递。
[0017] 图1中所示，虚拟控制实训部件单元，是在计算机上使用图片、动画等多媒体技术模拟电梯部件。根据电梯组成与系统结构，建立计算机虚拟电梯部件仿真数据库，虚拟的电梯部件包括减速箱及电机、曳引轮、对重、楼层门、楼层选择按钮、楼层限位器、开门关门到位限位器、维修开关、电梯上下行电机、变频器、楼层指示灯、
箱体开关门电机、抱闸、报警灯等部件。虚拟电梯部件有与电梯部件实物一样的位置属性、状态属性、与PLC端子连接属性、鼠标点击属性，通过设置虚拟部件的属性可以模仿实物电梯部件的动作；平台使用c#软件开发环境，使用HTML5多媒体技术(图片、动画、文本、
进度条等)，结合仿真数据库，虚拟出3层电梯仿真界面。虚拟部件的显示使用C#的WebBrowser控件实现，该控件有完善的多媒体显示功能。虚拟部件的属性如下表所示：
[0018]
[0019]
[0020] 图2是单片机信号转换收发模块电路图，单片机信号转换收发模块实现在PLC
控制信号与计算机虚拟电梯部件显示状态之间的信号传送及转换功能。因为PLC的数字量输入端是只读的，计算机不能够直接通过读写PLC内存来控制PLC输入端的状态，因此设计单片机信号收发转换模块。单片机信号收发转换模块的PLC端子输入单元，负责计算机与PLC之间信号的数据传输。单片机信号收发转换模块有如下功能：其一，实现单片机信号收发转换模块自身通过USB口与计算机进行通信；CH340G是USB转串口芯片，产生计算机串口，实现计算机使用串口控件与单片机信号收发转换模块的PLC端子输入单元实现连接通信。其二，单片机信号收发转换模块接收计算机控制指令信号经PLC端子输入单元形成PLC能够接收的数字信号，PLC输入端子信号是24V
电压，单片机是3.3V电压，光耦PC817能够进行信号电平转换，保证了单片机信号收发转换模块和PLC之间的信号传递；应用中，虚拟电梯模型的楼层按钮、楼层限位、限位器、开关门按钮、超重传感器等信号由计算机发出指令，经PLC端子输入单元转换后，经由单片机信号收发转换模块发送到PLC端子；其三，单片机信号收发转换模块收集PLC输出端子的数字信号，PLC发出的上行信号、下行信号、变频器运行信号、楼层指示灯信号，经光耦光电隔离后发送到虚拟电梯模型。
[0021] 图1、3中所示，虚拟安装单元，可以在虚拟电梯模型上进行模拟电梯安装实训；应用中，根据虚拟电梯部件仿真数据库，使用网页技术，采用积木式方法，设计出电梯安装模型；实训时从电梯部件库中选择虚拟电梯部件，当经计算机鼠标拖动到应该安装的位置附近时，该位置的背景颜色会改变，提示位置正确，然后实训人员放置并设置对应参数(如对应的PLC的I/O端子)。所有部件安装完毕后，系统提示电梯安装完成，整个安装过程模拟实际的安装过程，使学生掌握电梯的安装工艺及了解电梯原理。平台采用3D动画仿真及文档的形式详细说明和展示电梯的安装过程、安装工艺、安装原理、运行原理，学生能够很容易地学习和掌握电梯的相关知识。
[0022] 图1、2、3中所示，计算机能发出指令，经单片机信号收发转换模块的PLC端子输入单元形成PLC能够接收的数字信号，进而进行PLC的I/O分配表设计及连线实训。实训根据电梯运行控制的要求，设计控制流程并对PLC进行I/O配置，根据I/O分配表设置相关的电梯虚拟部件属性，如对应的PLC的I/O端子；实际应用中，根据I/O分配表，还能在接线盒端子与PLC之间进行实际控制连线。实际操作中，实训根据电梯运行控制的要求，设计控制流程并对PLC进行I/O配置，输入端子建议分配如下：X0.0运行维修按钮；X0.1～4楼层上下行按钮；X0.5～1.3楼层上下层限位；X1.4～5开关门限位；X2.1～2电梯开关门按钮；X2.3超重传感器。输出端子建议分配如下：Y0.0～1上下行继电器；Y1.1～1上下行指示灯；Y0.2～3快速与慢速运行继电器；Y0.4～6楼层指示灯；Y1.3～4厢体开关门；Y1.5抱闸停止；Y1.5抱闸停止Y1.6超重报警。实际控制连线实训中，根据I/O分配表设置相关的电梯虚拟部件属性，如对应的PLC的I/O端子，根据I/O分配表，实训人员在接线盒端子与PLC之间进行控制连线实训，实训操作过程包括含3个部分。A：到PLC输入端子的连线；B：到PLC输出端子的连线；C：到计算机USB口的连线。
[0023] 图1、3中所示，虚拟运行图单元，应用中，虚拟电梯运行时能够根据PLC实时状态，实时改变虚拟电梯部件的状态(颜色、动画)，使虚拟电梯部件与真实PLC端口保持一致。具体过程如下，A：获得按钮状态，如楼层呼叫按钮，鼠标点击按钮后，平台修改虚拟按钮的显示状态，并通过单片机信号转换盒形成24V开关信号，发送到PLC数字量接收端；B：根据电梯轿箱或电梯上下位置，自动修改虚拟限位开关的显示状态，并通过单片机信号转换盒(实训接线盒)形成24V开关信号，发送到PLC数字量接收端；C：计算机程序通过单片机信号转换盒获得PLC输出端的状态(如指示灯、电机、变频器等)，平台修改虚拟电梯部件的动画效果。
[0024] 图1、2、3中所示，本发明采用PLC、计算机、单片机信号转换收发模块、实训接线盒作为实物硬件，每个实训平台只需要一台计算机和PLC、单片机信号转换收发模块、实训接线盒，PLC不再需要布线外接其它外部设备，设备投资较小、设备占用空间小，同样资金可以完成更多实验套数的建设。本发明在计算机系统中采用多媒体技术，应用中，在各应用单元作用下，能虚拟出电梯部件(如按钮、电机、限位器、指示灯)，实训学生可以像在真实的环境中一样，运用虚拟电梯部件，对的虚拟电梯模型进行实时仿真安装，完成各种预定的实训项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得效果。本发明与其的虚拟电梯平台相比，采用真实的PLC作为控制器，其他设备使用计算机虚拟，学生能够对真正存在的PLC进行编程，不影响实验效果。与传统的实验教学相比，可以进行电梯控制过程的设计和控制设备的布线练习，更好进行工程设计和应用能力训练。平台可以按照实际的电梯运行动作编写PLC程序，尤其开关、传感器的输入；系统增加的单片机信号转换收发模块，单片机信号转换收发模块接收计算机命令并产生对应的数字量或模拟量并输出到PLC端子，解决计算机不能直接写PLC的数字量输入端子问题，使PLC程序能够按照真实的电梯动作进行编写。
[0025] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明限于上述示范性
实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附
权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0026] 此外，应当理解，虽然本
说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
